高层结构设计及案例分析

二、高层建筑结构的特点
▪
随着层数和高度的增加，水平作用对
高层建筑结构安全的控制作用更加显著，
包括地震作用和风荷载。高层建筑的承载
能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量和
造价高低，与其所采用的结构体系密切相
关。不同的结构体系，适用于不同的层数、
高度和功能。
高层建筑中，水平荷载和地震作用 对结构设计起着决定性的作用。
上 海 世 茂 国 际 广 场
复杂体型住宅
高层建筑结构的特点
▪ 钢－混凝土混合（组合）结构应用
国外高层、超高层建筑以纯钢结构为 主；而根据我国国情，高层以钢筋混 凝土为主；高层、超高层建筑以钢-混 凝土的混合（组合,含型钢混凝土、钢 管混凝土)结构应用居多。
高层建筑结构的特点
▪ 钢筋混凝土结构应用
▪
上海环球金融大厦，101层，采用钢-混凝土混合结构，
在1997年设计并完成桩基施工的基础上加高至492m。外形基本 规则，底面为58m的正方形，在一个对角线上立面为弧形金字塔， 另一个对角线上立面为矩形，但在427m以上开设了一个直径53m 的大圆 洞。
▪
结构按7度乙类建筑设防，外框筒采用巨型柱、巨型斜撑和
内地其它大、中城市（包括贵阳）高层建 筑也在迅速发展
▪ 1972年在纽 约建造了世界 贸易中心大楼 (World Trade Center Towers)， 110层，高 402m，钢结 构。
▪ 2001年发生 911事件被炸 毁。
目前，世界上最高的建筑为阿拉伯联合
酋长国的迪拜塔，162层，总高度828米。 2004年开始动工，2010年1月正式投入使 用，由韩国三星公司负责营造。
A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m)
结构体系
非抗震设
抗震设防烈度
计
6度 7度 8度
9度
框架
70
60
55 45
25
框架-剪力墙
140
130 120 100
50
全部落地 剪 剪力墙
150
力
墙 部分框支 剪力墙
130
140 120 100
60
120 100 80 不应采用
框架-核心
筒
筒
160
体
▪ 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ32002规定：
▪ 钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度 和高宽比应分为A级和B级。目前A级高度 的钢筋混凝土高层建筑应用最为广泛。超 过A级高度的为B级，B级的高度和高宽比 大，但抗震等级、计算和构造措施则更为 严格。结构高宽比不宜超过B级。超过B级 时，专门审查，补充多方面计算分析，必 要时结构试验，采取专门的加强构造措施。
➢ 绝大部分的高层建筑以框—剪结构、剪力墙 结构为主，如大量的公建、住宅
➢ 个别超高层建筑也采用钢筋混凝土结构，如广
州中信广场，80层，高322m
广 州 中 信 广 场
高层建筑结构的特点
▪ 钢－混凝土混合（组合）结构体系特点
➢可以发挥钢和混凝土两种材料各自的优 势，既具有钢结构的技术优势又具有混 凝土造价相对低廉的特点
高层建筑结构的特点
▪ 钢－混凝土混合（组合）结构应用
➢ 上海环球金融中心：RC核心筒+外伸桁架和巨 型（型钢）柱，101层，高492m，7度抗震设 防
上 海 环 球 金 融 中 心
高层建筑结构的特点
▪ 钢－混凝土混合（组合）结构应用
➢ 金茂大厦：RC核心筒+外框型钢混凝土柱及钢 柱，88层，高420m， 7度抗震设防
高层建筑结构的特点
▪ 钢－混凝土混合（组合）结构应用
➢ 地王大厦： RC核心筒+外钢框架，81层，高 325m，7度抗震设防
高层建筑结构的特点
▪ 钢－混凝土混合（组合）结构应用
➢ 大连国贸中心： RC核心筒+方钢管混凝土柱 78层，高度341m， 7度抗震设防
大 连 国 贸 中 心 大 厦
高层建筑结构的特点
各地已建成的：
上海金茂大厦：88层，高420.5m，7度抗震设 防
深圳地王大厦：81层，高325m，7度抗震设防 广州中信广场：80层，高322m，7度抗震设防 北京京广中心：200m， 8度抗震设防 贵州饭店 : 30层, 100m, 7度抗震设防 贵阳目前在建的最高53层,228m 7度抗震设防
q
Δ
弯曲型变形示意图
▪ 在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和 剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵 抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构 体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称 为框架—筒体结构体系。
▪ 框架—剪力墙（筒体）结构比框架结构的 刚度和承载能力都大大提高了，在地震作 用下层间变形减小，因而也就减小了非结 构构件（隔墙及外墙）的损坏，这样无论 在非地震区还是地震区，这种结构型式都 可用来建造较高的高层建筑，目前在我国 得到广泛的应用。
▪ 第七名 上 海金茂大 厦，88层， 420.5米 高。
▪ 国内目前建成的上海环球金融中心，地 上101层，地下3层，高492m。是中国 目前第一高楼、世界第三高楼、世界最高 的平顶式大楼 。（2008年竣工）
上海金茂大厦，88层，结构高度为 365m(塔尖420.5m，1998)，国内第二， 世界第七。
▪ 框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土 结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架 形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空 间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震 性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切 型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框 架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高 层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用 不多；高度一般控制在70m以下。
▪ 荷载效应的最大值 (轴力N、弯矩M和 位移)可用下列式 子表达：
▪ N=WH=f(H)
▪ M=qH2/2 = f(H2)
▪ =qH4/8EI =f(H4)
▪ 内力或位移 ▪
=f(H4)
▪
M=f(H2)
▪
N=f(H)
▪
H
▪ 结构内力、位移与高度H的关系
▪ 高层建筑结构体系
➢ 框架 ➢ 框架－剪力墙 ➢ 剪力墙、底层大空间剪力墙 ➢ 框筒和筒体(包括筒中筒与成束筒) ➢ 巨型结构及悬挑结构
高层建筑结构的特点
▪ 平面与立面形状呈多样化 ▪ 立面
➢ 各种类型转换 ➢ 外挑、内收 ➢ 大底盘多塔楼 ➢ 连体建筑、立面开大洞等复杂体型的建筑
CCTV大楼
大 楼
CCTV
沈 阳 方 圆 大 厦
沈 阳 房 地 产 交 易 中 心
上 海 明 天 广 场
上 海 证 券 大 厦
深大科技楼
北京新保利大厦
140 120 100
210 180 140 280 230 170
高层建筑结构的特点
1、 结构高度不断增加 业主或开发商通过高度（体量）显 示实力，建筑高度成为追求目标， 为了争取第一（地区、国内甚至世 界），各地高层建筑高度不断增加。
2、结构体型复杂，平面、立面多样 化
3、高层以钢筋混凝土结构为主，但 钢－混凝土混合（组合）结构应用 较多（尤其是超高层）
高层建筑结构设计及案例分析
▪ 一、概述 ▪ 二、高层建筑结构的特点 ▪ 三、我国高层建筑结构设计及研究工作
现状
▪ 四、高层建筑结构今后发展方向 ▪ 五、工程实例
一、概述
▪ -高层建筑结构的发展过程
➢ 高层建筑进入一个飞速发展的阶段 ➢ 目前正处于改革开放以来高层建筑发展的
第二个高潮 ➢ 除北京、上海、深圳、广州等沿海城市外，
周边桁架组成的巨型斜撑框架结构；核心筒在340m以下采用混凝
土结构，并在260m以上由接近方形转换为哑铃形，按特一级要求
采取抗震措施，在340m以上为钢斜撑筒体结构：内外筒之间设三
道三个层高的伸臂桁架加强。结构受风力控制，采用ETABS、
SAP2000、SATWE等四个软件计算，小震作用下两个方向的层
大连国贸中心大厦
高层建筑结构的特点
▪ 钢-混凝土混合（组合）结构应用 ➢70层深圳赛格广场，外框采用钢管混凝 土， 7度抗震设防
深 圳 赛 格 广 场
北京国贸三期
▪ 钢-混凝土混合（组合）结构应用 ➢北京国际贸易中心三期塔楼，筒中筒结构，
外部为型钢混凝土框筒，内部为型钢混凝土巨 型柱与斜撑及钢梁组成的筒体 73层，高度316.6m， 8度抗震设防
第二名 台北101大楼
2004年建成，共101 层，楼高509米 （塔尖60米）。
第三名 上海环球 金融中心， 地上101层，
492米高。
马来西亚双塔楼： （排名第4、5） 88层，452米，框—筒结构，1998年建成。
第六名 芝加哥西 尔斯大厦，108 层，442米高， 是美国最高的 建筑。
q
剪剪切切型型 变变 形 形
▪ 利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗 水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。 剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由 墙体承受全部水平作用和竖向荷载。
▪ 现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好， 刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小， 承载力要求也容易满足；剪力墙结构体系 主要缺点：主要是剪力墙间距不能太大， 平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使 用要求。此外，结构自重往往也较大。
间位移分别为1／1200和1／960，风力下的层间位移分别为1／
560和1／900。整个结构按设防烈度墙体、柱和斜撑不屈服设计，
内筒墙体控制罕遇地震下的剪应力。并通过国家级审查。
▪
徐培福教授介绍：要求加强顶部结构的抗扭能力，调整内筒
混凝土墙体转换的结构布置和构造，对伸臂桁架的数量做进一步
研究，并通过时程分析、推覆计算（静力弹塑性分析）和模型试 验进一步明确抗震薄弱部位，采取相应措施。
▪ 在水平力作用下，框架的侧移 ▪ 变形有两部分组成： ▪ （１）、梁柱弯曲变形使框架结构 ▪ 产生侧移，一般情况下，梁、柱都 ▪ 有反弯点，下部层间变形大，上部 ▪ 变形小；侧移曲线表现为剪切型 ▪ （图2-1）。 ▪ （２）、柱的轴向变形也使框架结 ▪ 构产生侧移，为弯曲形，上部层间 ▪ 变形大。两侧移以前者为主，因而 ▪ 框架结构的侧移曲线表现为剪 ▪ 切型。
筒中筒
200
150 130 100
70
180 150 120
80
板柱-剪力墙
70
40
35
30 不应采用
B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m)
结构体系
非抗震设 计
框架-剪力墙
170
全部落地剪
剪
力墙
180
力
墙 部分框支剪 力墙
150
框架-核心
筒
筒
220
体
筒中筒
300
抗震设防烈度 6度 7度 8度 160 140 120 170 150 130
▪ 不同的结构体系所具有的强度和刚度是不 一样的，因而它们适合应用的高度也不同。 一般说来，框架结构适用于高度低，层数 少，设防烈度低的情况；框架—剪力墙结 构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的 高度要求；在层数很多或设防烈度要求很 高时，可用筒体结构。
▪ 超高层建筑
➢ 框架－筒体结构 ➢ 筒中筒结构 ➢ 框架－支撑体系
高层建筑结构的特点
▪ 平面与立面形状呈多样化—— ▪ 为了体现个性、追求新颖，使高层建筑的
平面、立面体型均极其特殊， ▪ 结构的复杂程度和不规则程度为国内外前
所未有 ▪ 为结构设计带来极大挑战
高层建筑结构的特点
▪ 平面与立面形状呈多样化
▪ 平面形状
➢ 矩形、方形、八角形、多边形、扇形、圆形、 棱形、弧形、Y形、L形等
ห้องสมุดไป่ตู้
▪ 当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为 主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间 侧移随着层数的增加而增大。剪力墙结构 在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此 这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建 筑。
▪ 在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根 下部嵌固的悬臂深梁。剪力墙的水平位移 由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层 建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位 移曲线呈弯曲形，特点是结构层间位移随 楼层增高而增加。
▪ 单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平 面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒； 框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒， 即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成 桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可 能存在单筒结构，而常常以框架—筒体结 构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结 构形式出现。
▪ 巨型结构一般由两级结构组成。第一级结 构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、 巨柱（超级框架）或巨型桁架杆件（超级 桁架），以这巨型结构来承受水平力和竖 向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖 向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一 级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结 构和巨型桁架结构。